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《振動噪音科普專欄》【自然頻率】可以簡稱【頻率】嗎?

【自然頻率】可以簡稱【頻率】嗎?

【自然頻率】可以簡稱【頻率】嗎?NO,頻率(frequency)是一個泛用的名詞,在振動噪音領域,會有各種【OO頻率】的專有名詞,各有其明確的定義與物理意義,本單元嘗試對常見的【頻率】名詞作介紹。

【頻率】(frequency),常用的單位是,Hz=cycle/sec,赫茲=/秒。

【自然頻率】(natural frequency),常用的單位也是Hz。一個結構系統都有其固有的振動模態(vibration mode),理論上,結構的振動模態有無限多個,每個振動模態,包括:自然頻率、模態振型(mode shape)、以及模態阻尼比(modal damping ratio)

在結構的振動模態,雖然有無限多個,對結構振動響應貢獻度大的,通常是低頻率的振動模態。【第一個振動模態自然頻率】,常會稱為fundamental natural frequency【基礎自然頻率】。因為是振動模態的自然頻率,也有稱為【模態頻率】(modal frequency)

一個結構如果受到單一頻率的外力激振,此外力稱為簡諧外力(harmonic force),此外力激振方式稱為簡諧外力激振(harmonic force excitation),就有此【簡諧外力激振頻率】(harmonic force excitation frequency)的專有名詞,常被簡稱為【簡諧激振頻率】(harmonic excitation frequency),或更簡潔的稱為【激振頻率】(excitation frequency)

當一個結構,受到一【簡諧外力激振頻率】(harmonic force excitation frequency)作用,如果,此【外力激振頻率】等於或相近於結構的【自然頻率】,此結構會產生共振(resonance)的效應,因此,有人會說這是結構的【共振頻率】(resonant frequency),本人認為這是不精確的說法,不過,仍然常有人會以共振頻率來說。

常見的機器很多都是轉動的,以電扇為例,常以每分鐘轉速(revolute per minute, RPM)來表示旋轉的速度,此RPM轉速,可以轉換為轉速對應的頻率,f=RPM/60f就是【轉速對應之頻率】,或簡稱【轉速頻率】(rotating speed frequency)

在轉子動力學(rotor dynamics),轉子機械的振動現象,轉子的【轉速頻率】相當於該系統的【外力激振頻率】,轉子系統的振動響應,常會出現【轉速頻率】之整數倍頻率的振動特性,從一倍【轉速頻率】、兩倍、三倍、到高倍數的【轉速頻率】都有可能。實務上,觀察此【倍數轉速頻率】的振動量大小,常可反映出轉子的狀態。

另外,在樂器聲學(musical acoustics)領域,不管是弦樂器如吉他、小提琴,或是鋼琴、豎琴,這類的樂器結構,是線結構的振動現象(string vibration),常以撥弦、以拉弓摩擦琴弦、敲擊琴弦,造成弦線的振動而產生聲音。

以弦樂器的弦線結構來說,就有無限多個振動模態,其中【第一個振動模態自然頻率】,就是主要的【發聲頻率】,此頻率值與音階的標準頻率相同,就完成琴弦的調音。這裡,又有兩個頻率的名詞:【音階的標準頻率】,以及弦線的【第一個振動模態自然頻率】。例如:A4 (La)的標準頻率是440Hz,弦線調音在使得【第一個振動模態自然頻率】等於【音階標準頻率】。

弦樂器的發聲機制原理,他的發聲頻率基本上就是弦線的所有【振動模態頻率】,【第一個振動模態自然頻率】等於【音階標準頻率】,所以又稱之為【基礎頻率】(fundamental frequency)、或稱為【基音頻率】。高模態的聲音頻率,稱為【泛音頻率】(overtone frequency)

由於弦線的振動特性,弦的【泛音頻率】都呈現與【基音頻率】有倍數關係,所以可以稱此泛音頻率有簡諧倍頻音(harmonics sound)特性,所以,【基音頻率】與【泛音頻率】的組成,可以稱為【簡諧倍頻頻率】(harmonic frequencies)

談到這裡,復習一下各種【頻率】相關的名詞:
l   結構系統:自然頻率、第一個振動模態自然頻率、基礎自然頻率、模態頻率。
l   外力輸入:簡諧外力激振頻率、簡諧激振頻率、外力激振頻率、激振頻率、共振頻率
l   轉子系統:轉速對應之頻率、轉速頻率、倍數轉速頻率
l   樂器聲學:音階標準頻率、基礎頻率、基音頻率、泛音頻率、簡諧倍頻頻率

本單元嘗試對常見的各種【頻率】名詞作介紹,希望對讀者有幫助。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2017.08.24


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【山衛科技】2017年9月1日 聲音品質研討會,歡迎參加

舉 辦 日 期:2017年09月01日
舉 辦 時 間:09:00~16:30
主 辦 單 位:山衛科技股份有限公司
協 辦 單 位:中華民國振動與噪音工程學會
舉 辦 地 點:台北 (確認報名後另行通知,因場地有限,請盡速報名)
主講人: André Pirnay
報 名 費 用:免費參加,名額有限請盡早報名
報 名 方 式:1.請填妥報名表並傳真至 02-2692-1380 或 E-MAIL 至 william@samwells.comhenry@samwells.com
                 2.山衛科技網站線上報名
聯絡電話: 02-2692-1400 #223(高先生)/#228(溫先生)
報名截止日期:2017年08月30日


    近二十年來,山衛科技不斷致力於聲音品質的推動,使得聲音品質成為台灣產品的競爭力。這二十年來,聲音品質已成為具普世價值的法規標準,產品具有優越的聲音品質才能佔有一席之地。以聲音品質為基礎的法規日益蓬勃,看見未來,也永遠是山衛的堅持。



    聲音品質是人們對於產品噪音的感受,但人類聽覺是個複雜的機制,一個聲音事件具有多個面向如聲音的總體位準,發生時間的長短,對頻譜的貢獻度…等,該怎麼用客觀的儀器去主觀的度量評價一個聲音事件?
        HEAD Acoustics在聲音的領域創新領先,本次研討會,我們特聘請專家André Pirnay來介紹HEAD Acoustics在聲音品質領域最新的應用與發展,不只車用、家電、IT產業,不只產品的聲音品質,更要探討環境的聲音品質、整體的感受,整體的評價,更精確深入地探討這項量測技術,並預測未來的趨勢,請一同來共襄盛舉。

研討會主題:
  • Introduction to Psychoacoustics and Binaural Measurements
  • ArtemiS SUITE extract
  • HEAD Visor case studies: presentation and hands-on the software
  • Metric Designer in ArtemiS SUITE
  • Impact measurement in ArtemiS SUITE (rowing hammer/rowing accelerometer)
  • Sound Design for Electric Vehicles
    • Acceptance of synthetic driving noise in the interior of electric vehicles
  • Sound labeling on consumer products
  • Soundscape - progress in the standardization of an integrated approach
  • Listening tests and the judgment of the sound quality by using SQuare - Study case for kitchen application
內容簡介:
  •  ArtemiS SUITE 8.2  -  ArtemiS 的使用者不可不知
Utilizing your entire screen estate
Restoring the previous session (workspace)
Savable Data Viewers
More reporting options
A better overview in automation projects
ASCII export with configurable header
Increased performance

HEAD Visor
         HEAD VISOR使用麥克風陣列技術快速定位聲源。設置和操作輕而易舉。在幾分鐘內就可以獲得有關干擾噪聲源的信息。由於其獨特的螺旋形麥克風佈局及其複雜的算法,HEAD VISOR為聲學分析提供出色的空間和時間分辨率。即使高動態範圍也可以精確地分離噪音聲源。使用其三個攝像頭,HEAD VISOR在測量期間連續跟踪圖像中所有對象的距離,並使用此信息精確計算從相應位置發出的聲壓級。



  •  BrakeObserver

       優化煞車系統消除噪音、偵測並紀錄煞車噪音、分析可能因素、及時回饋噪音事件的主觀評價分數。
- Supports you in the development and sound optimization of brake systems
- Intelligently and automatically detects and records brake noise
- Continuously records descriptive parameters for brake noise

- Documents results and allows noise events to be evaluated interactively

特別是高頻剎車噪音是汽車製造商煩惱和保修成本高的原因。
 因此,在製動系統的開發中,消除剎車的尖叫聲是越來越重要。
 使用BrakeOBSERVERHEAD聲學開發了一種能夠將干擾性制動噪聲(包括“制動噪聲”)與正常工作噪聲區分開的軟件解決方案,從而可以提供卓越的檢測結果。

BrakeOBSERVER 應用
    - 記錄和分析煞車制動噪聲
    - 煞車制動系統的開發,優化和認證
    - 故障排除 

  • Metric Designer
在大多數情況下,聲音的品質量取決於多個參數(如聲壓級)。組合多個不同部分值以導出特徵單個結果值的計算規則允許您為您的產品聲音創建有意義的質量指標。此類計算規則也稱為Metric,可幫助您以可靠和節省時間的方式來評估產品的聲學品質,確定產品的優缺點,並可靠地指定目標聲音。
例如,通過將受試者的判斷映射到基於測量的分析結果,可以基於Jury Test的結果來開發Metric。通過以這種方式開發的Metric,您可以不需要額外Jury Test、達到省時且可靠地評估產品的感知音質。

開發sound quality metric的過程有幾個步驟,HEAD Acoustics為您提供了一系列工具:

- Aurally accurate recording: binaural artificial head, HMS
- Aurally accurate playback: labP2 with the correct signal level and equalization
- Perceptive assessment: SQuare software for jury tests
- Measurement-based analysis: ArtemiS SUITE analysis software
- Metrics definition: The Metric Project of ArtemiS SUITE


  • Ebm-papst (德國知名創新風扇馬達公司)建立了典範的listening room,利用SQuare 進行Subjective Judgement (主觀評價聲音)。客戶可真實地評價出好聲音的產品。而以家電果汁機之 Case Study 告訴我們,如何找出正確的心理聲學參數作為評價聲音品質之指標參數。
    • Soundscape Approach

       不只個體的聲音品質,包圍個體的所有環境也是影響聲音品質之主角,以電動汽車為例、道路聲音品質之研究、聲景、電動車聲音品質需整體綜合研究,環保綠能帶領電動車來臨。電動車整體噪音變小了,四週環境噪音反而明顯了。我們將討論電動車聲音要如何設計。不只電動車,道路路面、改善輪胎材質、降低反射噪音、城市聲景(soundscape)設計、與環境噪音都必須一起討論,相關法規 ISO/FDIS 12913-1 已啟動。為 Soundscape 之第一個聲學法規(Acoustics Standard)

    • Acoustics standards:Soundscape ISO 12913-1(analysis and assessment of ambient noise)、ISO 532-1/-2(for the determination of time-dependent loudness/ for calculating stationary loudness)

邀請對象:
  1. ArtemiS聲音品質工具之使用者及有興趣者
  2. 汽車、家電、產線、3C產品相關聲音品質的從業人員
  3. 凡產品有振動噪音問題,且對聲音品質設計、NVH有興趣者
參考資料 :
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